序文

技術者の皆さん、こんにちは。 キーイオット.最近、私は5Gネットワークの展開と最適化のプロジェクト、特に産業用IoTと車両ネットワーキングのアプリケーションに深く関わっている。フォーラムでは、5G技術に関するほとんどの議論が表面的なものにとどまっていることに気づきました。今日は、技術的なアーキテクチャの観点から5Gネットワークの本質を深く掘り下げ、私たちの実際の展開経験と組み合わせて、実際のアプリケーションにおける技術的な課題について議論したいと思います。この記事は一般の読者向けではなく、技術志向の専門家に焦点を当てています。本記事は一般読者向けではなく、技術志向の専門家を対象としており、広範な技術的詳細と実際のテストデータが含まれます。5Gの技術的な実装の詳細に興味があるなら、この記事は貴重な洞察を与えてくれるはずだ。

5Gネットワーク・アーキテクチャの深い技術分析

SAとNSAのアーキテクチャの本質的な違い

多くの記事がSAとNSAについて言及しているが、その技術的実装における根本的な違いを深く分析しているものは少ない。私たちの実際の展開経験から、この2つのアーキテクチャの違いは想像をはるかに超えています。 SA（スタンドアロン）独立ネットワーキングは、以下を含む完全な5Gコアネットワークアーキテクチャを持つことを中心に据えています：

• AMF（アクセス＆モビリティ・マネジメント機能）
• UPF（ユーザープレーン機能）
• SMF（セッション管理機能）
• AUSF（認証サーバー機能）

このアーキテクチャでは、すべてのアップリンクとダウンリンクの接続が5G基地局を通じて実現され、ネットワーク・スライシングやエッジ・コンピューティングといった5Gのコア機能が完全に発揮される。

.NSA（ノンスタンダロン）非独立型ネットワーキングは、以下のハイブリッド・アーキテクチャを採用している。 4Gコアネットワーク + 5G基地局。このアーキテクチャの問題点は、無線アクセス部分は5G技術を使用しているが、コアネットワークの処理能力は4Gアーキテクチャのままであり、真の低遅延と高信頼性を実現できないことである。

.実際のテストデータから、SAネットワークはNSAネットワークをレイテンシ性能で大幅に上回っています。この差は、特にURLLCアプリケーションシナリオにおいて顕著です。

スペクトル資源割り当ての技術的課題

5Gネットワーク は、まったく新しい周波数資源割り当て戦略を採用する。技術的な実装の観点から、5Gは主に3つの周波数帯を使用する：

• サブ6GHz（主に3.5GHzと2.6GHz）
• ミリ波帯（24GHz～100GHz）
• ミッドバンド（1-6GHz）

各周波数帯域には固有の伝搬特性とアプリケーションシナリオがある。私たちの実際の配備では、3.5GHz帯が最もよく使われています。これは、カバー範囲と普及率のバランスがとれているからです。

3つのアプリケーション・カテゴリーのディープ・テクニカル分析

eMBBの技術的詳細と実装の課題

最初の商用5GシナリオであるeMBB（エンハンスト・モバイル・ブロードバンド）は、技術的実装が比較的成熟している。キャリアアグリゲーション技術 複数のキャリアをアグリゲーションすることで、より高いデータレートを実現するが、そのためには端末機器により強力な信号処理能力が要求される。 3. 高次変調技術 256QAMのような高次変調技術を使用してデータ伝送効率を向上させるが、極めて高い信号品質が要求される。

URLLCの技術的課題と解決策

URLLC（超高信頼低遅延通信）は、5Gにとって最も困難なアプリケーション・シナリオである。

.技術的な実装の観点から、URLLCは以下のような主な課題に直面している。1.遅延制御 1ms以内の超低遅延を達成するためには、複数のレベルでの最適化が必要である：

• 物理層：短いTTI（送信時間間隔）の採用
• MAC層：スケジューリングアルゴリズムの最適化
• ネットワーク層エッジコンピューティングの展開

2.信頼性保証 99.999%の信頼性を達成するための要件は以下の通り：

• 冗長な伝送メカニズム
• 高速再送アルゴリズム
• マルチパス伝送

私たちの車両ネットワーキング・プロジェクトでは、自律走行車の5Gネットワークカバレッジ要件は非常に厳しい：5G RSRP≥-72dBm、S/N比5G SINR≥18dB、レイテンシ<20ms

.これらの指標は単純なように見えるが、実際の展開では緻密なネットワーク計画と最適化が必要となる。

MMTC大規模接続の実施

MMTC（大規模マシン型通信）は、主にIoTシナリオにおける大規模接続の問題を解決します。

.接続密度 1km²内で100万台のデバイス接続をサポートするには、以下の要件が必要です：

• 新しいランダム・アクセス・メカニズム
• 最適化されたリソース割り当てアルゴリズム
• 効率的な信号処理

2.消費電力制御 多くのIoTデバイスは長期間の稼働を必要とするため、消費電力を制御する必要がある：

• 最適化されたプロトコル・スタック
• インテリジェントな睡眠・覚醒メカニズム
• 効率的なデータ圧縮アルゴリズム

実戦配備による技術データ分析

ファーウェイ・ラボのSAネットワーク・テスト・データの深い分析

ファーウェイのラボで詳細なSAネットワークテストを実施し、テストデータから5Gネットワークのパフォーマンスと信号品質の関係を明らかにした

杭州テストポイント：

• 信号強度：-72dBm
• 信号対雑音比：34dB
• ダウンリンクレート826.4Mbps
• アップリンクレート743.4Mbps
• レイテンシー：17.8ms
• ジッター0.000%

深センのテストポイント：

• 信号強度：-98dBm
• 信号対雑音比：22dB
• ダウンリンクレート456.4Mbps
• アップリンクレート406.7Mbps
• レイテンシー：18.3ms

成都のテストポイント：

• 信号強度：-111dBm
• 信号対雑音比：10dB
• ダウンリンクレート：233.5Mbps
• アップリンクレート：236.4Mbps
• レイテンシー：22.1ms

武漢のテストポイント

• 信号強度：-118dBm
• 信号対雑音比：5dB
• ダウンリンク・レート137.3Mbps
• アップリンクレート137.4Mbps
• レイテンシー：21.3ms

このデータセットから、いくつかの重要なパターンが明らかになった：

1. 信号強度とスループットの非線形の関係：信号強度が-72dBmから-98dBmに低下すると、スループットは約45%低下するが、-98dBmから-111dBmに低下すると、スループットは約49%低下する。これは、5Gネットワークが信号品質に極めて敏感であることを示している。

2. S/N比の臨界値：S/N比が10dBを下回ると、ネットワーク性能は急激に低下する。これは5Gで使用される高次変調技術に関係している。

3. 遅延の相対的な安定性：劣悪な信号品質条件下でも、遅延の変化は比較的小さく、遅延制御における5Gネットワークの優位性を反映している。

SIMカード選択のための技術的考察

5Gネットワークの展開において、SIMカードの選択は見過ごされがちだが、実は重要な技術的決定ポイントである。

.IoTカードの技術的特徴：

• 工業用温度範囲：-40°C～+85°C
• より高い防振性能
• 耐用年数が長い（通常10年以上）
• 専用APNアクセス

固定IPの技術的優位性：ネットワーク・アーキテクチャの観点から見ると、固定IPは管理の利便性だけでなく、もっと重要なことがある：

• NAT変換オーバーヘッドの削減
• 接続確立時間の短縮
• エンド・ツー・エンドのデータ伝送効率の向上
• より複雑なセキュリティポリシーのサポート

車載アプリケーションでは、車載環境における振動や温度変化により、SIMカードに極めて高い信頼性が要求されるため、産業グレードおよび車載グレード以上の仕様の組み込みSIMカードを使用することを強くお勧めします。

パブリック・ネットワークとプライベート・ネットワークの技術的な違い

公衆ネットワーク展開の技術的課題

公共ネットワーク5Gの技術的特徴：

• インフラ共有、比較的低コスト
• ネットワーク容量はユーザー密度に大きく影響される
• セキュリティは公共ネットワークのセキュリティ・メカニズムに依存する
• サービス品質の保証が難しい

プライベート・ネットワーク導入の技術的利点

プライベートネットワーク5Gの核となる利点：

• 独立したネットワークスライシング、リソースの分離
• 制御可能なサービス品質
• より高い安全性
• カスタマイズされたネットワーク機能

私たちの導入経験から、クリティカルなビジネス・アプリケーションの場合、プライベート・ネットワークの導入は、コストはかかるものの、信頼性とセキュリティにおいて明らかな優位性を示します。

5Gのディープ・アプリケーション 産業用IoT

ネットワーク・スライシング技術の実用化

ネットワークスライシングは5Gのコア技術の1つで、同じ物理ネットワークインフラ上に論理的に独立した複数のネットワークを構築することができます。産業用IoTアプリケーションでは、通常、いくつかのタイプのスライスを作成します：1.制御スライス：リアルタイムの制御信号に使用され、超低遅延が要求される：3.管理スライス：デバイスの管理と監視に使用され、高い信頼性が要求される。

エッジコンピューティングと5Gの統合

5Gとエッジコンピューティングの組み合わせは、インダストリー4.0を実現するための重要な技術です。私たちの実際の展開では、エッジ・コンピューティング・ノードは通常、以下の場所に配置されています：

• 工場内のエッジデータセンター
• 5G基地局付近のエッジ・デバイス
• 自動車内のエッジ・コンピューティング・ユニット

このアーキテクチャは、データ処理のレイテンシーを5ms以下に短縮することができ、産業制御のリアルタイム要件を満たすことができる。

技術的な展望と課題

6G技術の発展方向

5Gはまだ完全に成熟していないが、6Gの研究開発はすでに始まっている。技術開発の動向から、6Gはその解決に焦点を当てる：

• テラヘルツ通信技術
• スペース・エア・グラウンド統合ネットワーク
• ホログラフィック・コミュニケーション
• ブレイン・コンピューター・インターフェイス・コミュニケーション

現在の技術的課題

1. エネルギー消費の問題：5G基地局のエネルギー消費は4Gの3-4倍
2. カバレッジコスト：ミリ波のカバー範囲は狭いため、基地局を高密度に配置する必要がある。
3. 端末コスト：5Gチップのコストは依然として高い
4. 標準化：異なるベンダーの機器間の相互運用性にはさらなる改善が必要

結論

5Gネットワークは単なる通信技術のアップグレードではなく、技術エコシステムの完全な再構築です。しかし、5Gの展開と最適化は、ネットワーク・アーキテクチャ、周波数資源、端末機器など、多方面にわたる包括的な検討を必要とする複雑なシステムエンジニアリング・プロジェクトである。5Gの技術的本質を深く理解することによってのみ、実用的なアプリケーションでその利点を十分に活用することができるのです。この記事が皆様にとって貴重な技術的参考となることを願っています。具体的な技術的質問がある場合は、コメント欄でお気軽にご相談ください。